太陽エネルギー変換

太陽エネルギー変換とは、太陽エネルギーを電気、燃料、熱などの他の（有用な）エネルギー形式に変換する技術を指します。^[1]従来の半導体光起 電力デバイス（PV）、新興の太陽光発電、^{[2] [3] [4]} 電気分解による太陽燃料生成、人工光合成、エネルギーに富む分子の生成を目的とした光触媒の関連形式を含む光収集技術をカバーしています。 ^[5]

電気（太陽光発電）と太陽燃料の両方を生成するためのいくつかの新興太陽エネルギー変換技術における基本的な電気光学的側面は、現在活発に研究されている分野です。^[6]

太陽電池は、1876年にウィリアム・グリルス・アダムスが学部生とともに開発を始めた。1839年の夏、フランスの科学者エドモンド・ベクレルが初めて光起電力効果を発見した。 ^[7]彼は、シリコンなど周期表の特定の元素が太陽光にさらされると非常に珍しい反応を示すという理論を立てた。太陽光発電は、太陽放射が熱や電気に変換されるときに発生する。1873年から1876年の間に、英国の電気技師ウィロビー・スミスは、セレンが光にさらされると大量の電気が発生することを発見した。セレンの使用は非常に非効率的だったが、周期表のさまざまな半金属（後に光伝導性材料と呼ばれる）を使用することで光を電気に変換できるというベクレルの理論を証明した。 1953 年までに、カルビン・フラー、ジェラルド・ピアソン、ダリル・チャピンは、シリコンを使用した太陽電池の生産が極めて効率的であり、セレンをはるかに超える正味電荷を生成できることを発見しました。今日、太陽光発電は、暖房、発電、熱処理、水処理、再生可能エネルギーの世界で広く普及している電力貯蔵など、さまざまな用途に使用されています。

1960 年代までには、太陽エネルギーは宇宙衛星の電力供給の標準となりました。1970 年代初頭には、太陽電池技術がより安価で入手しやすくなりました (20 ドル/ワット)。1970 年から 1990 年にかけて、太陽エネルギーはより商業的に運用されるようになりました。鉄道の踏切、石油掘削装置、宇宙ステーション、マイクロ波塔、航空機など。現在では、世界中の家庭や企業が太陽電池を使用して、さまざまな用途の電気機器に電力を供給しています。太陽エネルギーは、主にその高い効率性と費用対効果により、再生可能エネルギー分野の主流の技術です。1990 年代初頭までに、光電変換は前例のない新しい高みに達しました。科学者は、ガリウム、インジウム、リン化物、ガリウムヒ素などの高伝導性光起電材料で作られた太陽電池を使用し、総効率を 30% 以上向上させました。世紀の終わりまでに、科学者たちは、集めた太陽光の 36% 以上を使用可能なエネルギーに変換する特殊なタイプの太陽電池を開発しました。これらの開発は、太陽光発電だけでなく、世界中の 再生可能エネルギー技術に大きな弾みをつけました。

太陽光発電（PV）はシリコン太陽電池を使用して太陽光のエネルギーを電気に変換します。光電効果を利用して動作し、電子が放出されます。^[8]集光型太陽光発電（CSP）レンズまたはミラーと追跡装置を使用して、広い範囲の太陽光を小さなビームに集光します。太陽光発電は、2050年までに世界最大の電力源になると予想されています。モハベ砂漠のイヴァンパ太陽光発電施設などの太陽光発電所は、392MWを超える電力を生産しています。1GW（10億ワット）を超える太陽光発電プロジェクトが開発されており、米国の太陽光発電の未来になると予想されています。^[要出典]

太陽は、膨大な量のエネルギーを蓄えた無数の帯電ナノ粒子を地球に降り注いでいます。このエネルギーは、給湯、暖房、冷房、プロセス熱生成に使用できます。多くの蒸気発生システムは、給水加熱の主な熱源として太陽光を使用するように適応しており、この開発により、ボイラーやその他の多くの種類の廃熱回収システムの全体的な効率が大幅に向上しました。ソーラークッカーは、調理、乾燥、低温殺菌に太陽光を使用します。太陽熱蒸留は、飲料水を生成するための水処理プロセスに使用されており、先進技術の使用を通じて支援を必要とする国々に支援を提供する上で非常に強力な役割を果たしてきました。

太陽エネルギー変換は、非常に費用対効果の高い技術となる可能性があります。非従来型エネルギー源に比べて安価です。太陽エネルギーの使用は、雇用の増加と輸送および農業部門の発展に役立ちます。太陽光発電設備は、エネルギー需要が高いが経済状況により供給が少ない国々にとって、より安価で容易に利用できるようになっています。1GWの太陽光発電所は、建設に2倍の費用がかかる化石燃料燃焼発電所のほぼ10倍の電力を生産できます。太陽光発電所は、2050年までにエネルギー生産のリーダーになると予測されています。^[9]

太陽エネルギーの変換は、特にこれまでグリッドベースのエネルギーアクセスがなかった農村地域で、多くのプラスの社会的影響を及ぼす可能性があります。多くのオフグリッド地域では、太陽光発電はエネルギー調達の最も急成長している形態です。これは、赤道の北または南の緯度45度以内で特に当てはまります。これらの地域では、太陽放射は年間を通じてより一定であり、発展途上国の人口の大部分が住んでいます。健康の観点から、ソーラーホームシステムは、火災を引き起こし、空気の質に悪影響を及ぼし、肺機能の低下を引き起こし、結核、喘息、および癌のリスクを高める可能性のある一酸化炭素（CO）、一酸化窒素（NOx）、および二酸化硫黄（SO2）などの汚染物質を排出する可能性のある灯油ランプ（農村地域でよく見られる）に代わることができます。このような地域では、太陽エネルギーへのアクセスにより、農村住民は灯油の購入と輸送に必要な時間と費用を節約し、生産性を高め、営業時間を延長できることが示されています。^[10]

エネルギーへのアクセスに加えて、これらのコミュニティはエネルギーの自立性を獲得します。つまり、サードパーティの電力供給業者に依存しないということです。エネルギーの自立性の概念は比較的新しいものです。20世紀の大半において、エネルギー分析は純粋に技術的または財務的であり、社会的影響分析は含まれていませんでした。1980年の研究では、再生可能エネルギーへのアクセスは、個人の昇進ではなく、より大きな社会的利益につながる価値観を促進すると結論付けられました。^[11]一部の学者は、歴史的にエネルギー源を管理する当事者は社会的階層を作成する人々であると主張していますが、^[12]この種の分析は、太陽エネルギー変換を可能にする技術の導入後、それほど「過激」ではなく、より主流になりました。^[要出典]

太陽エネルギーへの変換は、個々の顧客だけでなく、コミュニティ全体に影響を与える可能性があります。アメリカ全土のますます多くの地域で、従来の独立した非接続の屋上設置モデルが、コミュニティサイズのソーラーマイクログリッドに置き換えられています。 「コミュニティソーラー」のアイデアが最初に人気になったのは、エネルギー貯蔵に関する問題が原因でした。^[13] 2018年現在、リチウムイオン電池やその他の貯蔵技術の大規模な生産が屋上PV設置の進歩に遅れているため、夜間のエネルギー使用、雲量、出力制限、停電に備えた予備を提供する信頼性の高い単一住宅貯蔵システムの欠如が、全国的な屋上太陽光発電への移行を妨げている主な問題です。さらに、プロジェクトの範囲が小さく、資金へのアクセスが不足しているため、単一住宅の太陽光発電設備の資金調達はより困難になる可能性があります。実行可能な代替案は、より実績のある大規模な貯蔵設備を使用して、コミュニティマイクログリッドで住宅ブロックを接続し、太陽光発電の採用に対する障壁を下げることです。場合によっては、独立した屋上太陽光発電所をより大きな蓄電施設に接続することで、マイクログリッド「ウェブ」が作られます。屋上設置が不可能な場合を主な対象とするその他の設計では、隣接するフィールドに大規模な太陽光発電アレイと蓄電施設が組み合わされています。追加の社会的影響として、この設置形態により、複数世帯住宅や歴史的に低所得の地域で太陽エネルギーが経済的に実現可能になります。^[14]

太陽エネルギー変換に伴う潜在的な社会経済的欠点は、電力会社のビジネスモデルの混乱である。アメリカでは、地域独占の電力会社の経済的存続可能性は、互いの変動負荷を相殺する大規模な地元顧客の集合体に基づいている。したがって、送電網に接続されていない屋上ソーラーシステムの広範な設置は、電力会社の市場の安定性に対する脅威となる。この現象は、グリッドデフェクションとして知られている。^{[15]電力会社への圧力は、}再生可能エネルギーがもたらす新しい課題（主に慣性、逆潮流、リレー保護スキームに関するもの）にまだ適応していない老朽化した送電網インフラによって悪化している。しかし、一部のアナリストは、自然災害（重要な送電網インフラを破壊する）が着実に増加しているため、緊急時のエネルギーアクセスを確保するためにソーラーマイクログリッドの設置が必要になる可能性があると主張している。^[16]緊急事態への備えに重点が置かれているため、近年、特に自然災害が発生しやすい地域で、オフグリッドエネルギー市場が劇的に拡大している。^[要出典]

太陽光発電施設は、広大な土地を覆い、生息地の分断を促進することで、生態系の生息地を破壊したり移転させたりする可能性があります。ネイティブアメリカンの居留地に建設された太陽光発電施設は、伝統的な慣習を妨げ、地元の生態系にも悪影響を及ぼしています。^{[9] [17]}

• スウェーデン、ルンド大学の太陽エネルギー変換計算研究グループ